автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение межремонтного ресурса восстановленных деталей оптимизацией физико-механических свойств покрытий

На правах рукописи

ОКИН Максим Александрович

ПОВЫШЕНИЕ МЕЖРЕМОНТНОГО РЕСУРСА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ОПТИМИЗАЦИЕЙ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОКРЫТИЙ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Саранск 2009

003484334

Работа выполнена в лаборатории № 11 ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакаде-мии и на кафедре физики твердого тела Института физики и химии ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева».

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

профессор

Фомин Николай Егорович Официальные оппоненты - доктор технических наук профессор

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Башкирский государственный

Защита состоится декабря 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, Д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева.

Автореферат разослан ^^ ноября 2009 г.

Симдянкин Аркадий Анатольевич кандидат технических наук Нуянзин Евгений Анатольевич

аграрный университет»

доктор технических наук

Ученый секретарь диссертационного сове!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственной технике широко применяются различные гидравлические устройства, большинство деталей которых подлежат выбраковке при изиосах 0,02...0,15 мм. Около 80 % изношенных деталей можно восстановить нанесением металлопокрытий различными методами, в том числе электроискровой обработкой в газовой среде (ЭИО).

Межремонтный ресурс восстановленных деталей определяется эксплуатационными характеристиками модифицированной поверхности, а в итоге - ее геометрией, физико-химико-механнческими свойствами наплавленных поверхностных слоев и остаточными напряжениями в них.

В настоящее время накоплен большой объем расчетно-экспериментальных материалов о влиянии геометрии поверхности на ресурс детали, но недостаточно дан-пых о влиянии физико-механических свойств покрытий и остаточных напряжений на ее работоспособность.

Известно, что покрытия на поверхностях деталей, нанесенные методом ЭИО в газовой среде стержневыми электродами, имеют неоднородные физико-механические свойства по сечению. В них возникают значительные растягивающие и сжимающие напряжения I рода. Модуль упругости, как правило, меньше, чем у материала электрода, а микротвсрдость может иметь как положительный, так и отрицательный градиент по глубине образованной поверхности.

Оптимизация физико-механических свойств покрытий, образованных ЭИО, особенно при механизированной обработке, невозможна без учета скорости подачи электрода, его давления на деталь, частоты вращения детали и электрода. Поэтому разработка технологических рекомендаций по восстановлению изношенных деталей нанесением покрытий с оптимальными физико-механическими свойствами, обеспечивающих повышение межремонтного ресурса узла и агрегата, является актуальной задачей.

Цель исследования - повышение межремонтного ресурса восстановленных электроискровой технологией золотников гидрораспределителей путем оптимизации физико-механических свойств покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо изучить фазовый состав, формирование структуры и физико-механические свойства образующихся на поверхности детали из стали 20Х покрытий с целью определения оптимального режима их нанесения методом ЭИО.

Объект исследования - процессы образования оптимальных физико-механических свойств покрытий на изношенных поверхностях золотников гидрораспределителей Р-80 при ЭИО компактными стержневыми электродами.

На защиту выносятся:

- результаты исследования действия в газовой среде электрической искры, возникающей при низковольтном электроискровом разряде и приводящей к структурно-фазовым превращениям;

- особенности формирования структур и фаз на поверхностях деталей при электроискровой обработке;

- влияние режимов обработки поверхности детали из стали 20Х на физико-механические свойства и эксплуатационные параметры покрытий;

- взаимосвязь параметров субструктуры и напряженного состояния модифицированного слоя с его триботехническими характеристиками;

- технологические рекомендации по ремонту гидрораспределителей с восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей деталей.

Научная новизна:

- получен комплекс зависимостей, описывающих взаимосвязь структуры, фаз и физико-механических свойств исследуемых покрытий;

- определено влияние режимов ЭИО на структуру, физико-механические свойства и их взаимосвязь с триботехническими характеристиками наносимых покрытий;

- выявлено, что плавление поверхностных слоев электродов с последующей кристаллизацией, возникающее в результате термоэлектродинамического воздействия электроискрового импульсного разряда на поверхность детали из стали 20Х, приводит к формированию мезонанокристаллического состояния вещества;

- установлено, что при поверхностной пластической деформации (ГТГГД) покрытия остаточные напряжения растяжения преобразуются в остаточные напряжения сжатия на всю глубину покрытия;

- разработаны новые технологические рекомендации по ремонту гидрораспределителей с восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей деталей комбинированным методом, обеспечивающие 90% межремонтный ресурс.

Программа исследовании имела следующую последовательность: нанесение на изношенные детали покрытий из стали 65Г и Св08 методом ЭИО; получение экспериментальных зависимостей параметров структуры, субструктуры и физико-механических свойств покрытий от режима нанесения; разработка теоретической модели повышения эксплуатационных характеристик исследуемого соединения. Полученные результаты проверялись стендовыми и эксплуатационными испытаниями. Обработка результатов исследований проведена с использованием современной вычислительной техники и методов математической статистики.

Практическая значимость заключается в разработанных технологических рекомендациях по ремонту гидрораспределителей Р-80 с нанесением восстанавливающих покрытий методом ЭИО электродами из стали 65Г и Св08.

Реализация результатов исследования. Разработанные технологические рекомендации восстановления золотников гидрораспределителей, обеспечивающие увеличение межремонтного ресурса, внедрены в малом инновационном предприятии ООО «Ресурс» (г. Саранск), ОАО «Грачёвский завод Гидроагрегат» (г. Грачёвск, Ставропольский край) и ОАО «Дальверзинский ремонтно-механический завод» (Республика Узбекистан).

Апробация. Основные положения и результаты работы доложены на III и IV Российских научно-технических конференциях «Физические свойства металлов и сплавов» (г. Екатеринбург, 2005, 2007 гг.), на пятой Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (г. Саранск, 2006 г.), на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» (г. Москва, 2007 г.), на Огаревских чтениях Мордовского государственного университета (г. Саранск, 2008 г.), на открытой школе-конференции стран СНГ «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы - 2008» (г. Уфа, 2008 г.), на XVI Международной молодежной конференции «Ломоносов» (г. Москва, 2009 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.).

Результаты исследований наноструктурированных электроискровых покрытий отмечены: дипломом и серебряной медалью X Международного салона промышленной собственности «Архимед - 2007» (г. Москва, 2007 г.), дипломом и бронзовой медалью 9-й Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень - 2007» (г. Москва, 2007 г.), дипломом и золотой медалью XI Международного салона промышленной собственности «Архимед - 2008» (г. Москва, 2008 г.), дипломом и серебряной медалью 10-й Российской агропромышленной выставки «Золотая осень - 2008» (г. Москва, ВВЦ, 2008 г.), дипломом I степени Международной агротехнической выставки «Аг-росалон» (г. Москва, МВЦ «Крокус Экспо», 2008 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 12 работах, в том числе 2 в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 162 страницах компьютерного текста, включает 78 рисунков и 14 таблиц, список литературы содержит 103 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулирована цель, представлены основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы, обозначен объект исследований.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» проведен анализ литературы по рассматриваемой проблеме и определены задачи исследования. Поясняется, что широкое применение электроискровой обработки обусловлено простотой и большим спектром возможностей данного метода нанесения покрытий по сравнению с другими.

На основе исследований Б. Р. Лазаренко, Н. И. Лазаренко, Б. Н. Золотых, А. Д. Верхотурова, Ф. X. Бурумкулова, А. Е. Гитлевича, В. И. Иванова и др. показано, что основными преимуществами электроискровой обработки металлов являются возможность нанесения покрытий из любых токопроводящих материалов, локальность процесса нанесения покрытий до 200 мкм с высокой сплошностью, высокая адгезия, а также незначительное тепловое воздействие на деталь.

В работах А. Е. Гитлевича, Л. С. Палатника, А. А. Левченко, Л. М. Рыбаковой и др. исследовались характеристики покрытий, фазовый состав и структурные превращения при ЭИО, однако в них не учитывалось влияние технологических параметров на процесс ЭИО (основной их целью являлось описание механизма электрической эрозии катода и анода).

А. Д. Верхотуров, А. И. Михайлюк, Ю. И. Мулин, А. С. Рудюк и др. определили, что на формирование структуры и субструктуры покрытий существенное влияние оказывают механические и электрические режимы ЭИО. Была установлена корреляция параметров субструктуры покрытий с энергией разряда, выделяющейся в межэлектродном промежутке, и удельным временем обработки. Исследовались морфология образованной поверхности, а также коррозионная и окалиностойкость получаемых покрытий.

Для определения качества восстановленной поверхности были использованы следующие характеристики: толщина, твердость, равномерность покрытия, микрогеометрия, остаточные напряжения и прочность сцепления покрытия с основой.

В работах С. А. Величко, П. А. Ионова, связанных с данной тематикой, исследовались детали пары трения золотник-корпус и их восстановление методом ЭИО без

учета влияния физико-механических свойств и остаточных напряжений полученных электроискровых покрытий на ресурс соединения.

Исходя из вышеизложенного были определены основные направления и поставлены задачи исследования.

1. Исследовать кинетику массопереноса при формировании покрытий.

2. Исследовать свойства и параметры электроискровых покрытий (толщину, микротвердость и др.) в зависимости от режима нанесения.

3. Определить параметры субструктуры, напряженного состояния и физико-механические свойства модифицированной поверхности.

4. Определить триботехнические характеристики восстановленных поверхностей и установить их взаимосвязь со структурным состоянием материала покрытия.

5. Оптимизировать механизированные режимы нанесения ЭИО компактными электродами.

6. Разработать технологические рекомендации по восстановлению золотников гидрораспределителей Р-80.

7. Провести испытания гидрораспределителей, отремонтированных с учетом результатов исследований.

8. Определить экономическую эффективность предложенных рекомендаций.

Во второй главе «Теоретические предпосылки к повышению межремонтного

ресурса восстановленной детали оптимизацией физико-механических свойств электроискровых покрытий» представлены теоретические зависимости, описывающие электроискровую наплавку, обоснована кинематическая модель процесса, введен критерий оптимальности технологических режимов для получения покрытий с определенными физико-механическими свойствами.

Процесс ЭИО с использованием компактных электродов в виде стержней включает следующие этапы: пробой межэлектродного промежутка (МЭП) и появление электрического контакта между обрабатываемой поверхностью детали (катод) и электродом (анод) при сближении электродов или постоянном МЭП; эрозия материалов электродов; полярный перенос разрушенных материалов; формирование измененного поверхностного слоя; разрыв электрического контакта.

При использовании генераторов импульсного тока класса «Элитрон-350», «Элитрон-347», БИГ-3 процесс ЭИО начинается с контакта электродов, при котором создаются благоприятные условия для инициирования разряда дисперсными частицами.

При искровом разряде между электродами величина энергии, выделяющейся в МЭП за импульс, определяется выражениями:

Wu='}u(t)l(t)dt, (1)

о

где t„ - длительность единичного импульса, мкс; U(t), l(t) - соответственно напряжение и ток в импульсе;

WU=WC + W„ (2)

где Wc ,W3 - энергия, рассеиваемая в столбе разряда и передаваемая поверхностям электродом, Дж.

При вибрирующем движении электрода относительно поверхности детали с частотой f происходит периодический физический контакт электродов и на их поверхностях образуются «мостики» расплавленного металла с последующим их взрывом. Тогда выделение и передача энергии на поверхности детали определяется эф-

фектом Джоуля - Ленца. Следовательно, общая энергия, поступающая на поверхности детали и электрода, определяется так:

= \Уа + ,

где \Уа и - соответственно значение энергий, поступающих на поверхность детали и электрода, Дж; и - соответственно значение энергий, поступающих на поверхность детали и электрода, определяемая действием эффекта Джоуля-Ленца при «физическом» контакте электродов, Дж.

Эффективность электроискровой наплавки повысится при увеличении количества разрушаемого материала анода (впоследствии закрепившегося на поверхности катода) в единицу времени. Одним из важных условий переноса является полярный эффект эрозии, заключающийся в том, что по величине эрозия анода уа превосходит эрозию катода ук. Выразить это можно через критерий полярности Кп:

Кп=Ь-»1. (3)

Ук

На основании условия преимущественного переноса материала анода на катод

Л. С. Палатником сформулирован критерий выбора материала электрода (анода) Ом: = , (4)

где С, р, Т„„, Тх„ - соответственно удельные теплоемкость, плотность, теплопроводность, температуры плавления и хладноломкости для материалов анода и катода; га, гк - атомный радиус материала анода и катода; а'^а'- коэффициент учета ковалентности межатомной связи материалов анода и катода (~1 для металлов).

По критерию Ом »1 для заданного материала детали (сталь 20Х) высокие показателей имеют материалы: сталь 65Г, низкоуглеродистая проволока Св08.

Из уравнений (1)-(4) следует, что значение конечной температуры, а следовательно и эрозии в контактной зоне растет с увеличением энергии разряда, удельной теплоемкости, плотности веществ и уменьшается с увеличением коэффициента теплопроводности и длительности разряда.

Таким образом, на эрозию анода и на толщину и качество получаемых слоев большое влияние оказывают характеристики материала электрода, энергия единичного разряда, длительность импульсов. При некоторых фиксированных значениях энергии единичного разряда, длительности импульсов тока и характеристик материала электрода толщина и качество слоя определяются в основном кинематическим движением электродов.

В основу кинематической модели процесса положено продольное перемещение вращающегося электрода относительно вращающейся детали, аналогичное перемещению резца при токарной обработке (рис. 1а). Данный вид движения описывается уравнением винтовой кривой:

х = Нсово)^, у = ИвтоМ, г = 8271/Ш]. (5)

Наплавка проводится с заданной частотой вращения детали П| и подачей электрода 8, обеспечивающими взаимное перекрывание (рис. 16) наплавляемых полос в поперечном и продольном направлениях, которое характеризуется коэффициентами перекрытия в строке Кс и между строками К„,. По данным предыдущих исследований, для обеспечения нормативной сплошности (70 %) и толщины покрытия коэффициенты Кс и К„ должны удовлетворять условию Кс = Км ~ 0,25. Если величины смещения

оси электрода относительно оси детали е, угловой скорости вращения электрода сс>2, давления Р считать постоянными, то необходимая частота вращения детали будет равна:

. _ ксол клх (6)

т..

где Ю| - угловая скорость вращения детали, Я - радиус детали, Ол - диаметр лунки (зависит от энергетических режимов ЭНН), 1им|, - длительность одного импульса, мкс.

Для обеспечения коэффициента перекрытия Км продольная подача электрода на один оборот детали должна быть равна 8 = КмОл.

г<о„

а б

Рисунок 1 - Схема электроискровой наплавки Для получения эффективных режимов электроискровой обработки деталей в данной работе предложен критерий оптимальности толщины б и сплошности Спл нанесенного слоя. Запишем эти функции в следующем виде:

5; С„л = {(8, ш, с!,,, п„6> п,л, Мо6, Мэл, У, <3), (7)

где Б - скорость подачи электрода за один оборот образца, мм/об; т - число проходов электрода по поверхности образца; с!м - диаметр электрода, мм; п0б, п>л - соответственно число оборотов в минуту образца (детали) и электрода; М0б, М1Л - соответственно материал образца и электрода; У - модель установки для ЭИН; <3 - энергетические режимы работы установки.

Если в функции (7) заданы Мзл и С>, то основным регулирующим параметром является тБ. Число проходов является дискретной величиной, и при заданном т с уменьшением Б растет время наплавки.

Выбор режима ЭИО по параметру тБ для каждого материала и энергетического режима прежде всего связан с выполнением следующего условия: толщина нанесенного слоя 5 и его сплошность Спл должны быть равны или больше заданного значения. Как правило, с увеличением ш и повышением энергии единичного разряда растет шероховатость покрытия.

Средняя интенсивность изнашивания рабочей поверхности деталей определяется по формуле

где Ki - поправочный коэффициент; ра- номинальное удельное давление, МПа; Е„р- приведенный модуль упругости, МПа; Д - комплексный параметр шероховатости; Нв и Rn -параметры волнистости; ^ - коэффициент, характеризующий напряженное состояние на контакте (зависит от природы материала); - молекулярная составляющая коэффициента трения; Стр - прочность материала, МПа; ty- показатель кривой фрикционной усталости при упругом контакте, зависящий от кинематики сочленения, смазки и напряженного состояния пары трения.

Из формулы (8) вытекает, что интенсивность изнашивания поверхности находится в сложной зависимости от модуля упругости и прочности поверхностного слоя материала. Хотя природа трения и износа едина, по их значения определяются различными факторами. Трение определяется величиной и распределением напряжений по границе контакта поверхностей и комплексным параметром шероховатости 1

Л = R z rb v, а износ - деформациями, возникающими в прикоптактном слое материала, и сопротивлением усталости, которые существенно зависят от величины и знака остаточных напряжений.

Действия остаточных напряжений подобны влиянию средних (постоянных) напряжений на усталостную прочность деталей и могут изменять предельные амплитуды напряжения ста по зависимости

(9)

где о_| - предел выносливости детали, МПа; - коэффициент влияния асимметрии цикла, равный для конструкционных сталей 0.1-0,4; оо- остаточные напряжения, МПа.

Полученные методом ЭИО покрытия по структуре и свойствам отличаются от исходных сплавов. Причиной этого являются микрометаллургические процессы, протекающие на обрабатываемой поверхности в зоне действия искрового разряда вследствие физико-химического взаимодействия переносимого материала с материалом катода и элементами окружающей среды при наличии импульсных термодинамических напряжений. Таким образом, при ЭИО деталей машин для восстановления их работоспособности и улучшения эксплуатационных характеристик необходимо учитывать величину остаточных напряжений, возникающих в поверхностном слое. Не менее важным является влияние па данную величину изменения структуры и фазового состава, что определяет износостойкость модифицированных поверхностей. В каждом конкретном случае нужно оптимизировать режим обработки (выбор энергии разряда, время обработки), а также материал обрабатывающего электрода. Поэтому изучение характеристик прочности и упругости покрытий, наплавленных и упрочненных методом ЭИО, имеет важное теоретическое и практическое значение.

В третьей главе «Программа и методики экспериментальных исследований» приведена программа исследования, описаны используемые методики и применяемое оборудование.

Работа разделена па три этапа. На первом этапе проводился анализ причин отказов бывших в эксплуатации гидрораспределителей Р-80, а также определялись методы и рассматривались технологии восстановления их работоспособности. На втором этапе осуществлялось комплексное исследование покрытий, образованных методом ЭИО. Третий этап состоял из разработки рекомендаций и поправок технологии восстановления и упрочнения поверхности золотников гидравлических распределителей и расчетов технико-экономической эффективности предложенных рекомендаций.

Технологический процесс нанесения покрытий на изношенные рабочие поверхности деталей осуществлялся с помощью электроискровой установки БИГ-3.

Металлографические исследования образованных покрытий проводились на микрошлифах, изготовленных согласно ГОСТ 2789-73 при помощи установок METKON GRIPO 2V и «DURAM1N 5».

В качестве инструмента дополнительных исследований использовался растровый электронный микроскоп JSM-6480LV фирмы JEOL (Япония) с приставкой для энергодисперсионной спектрометрии INCA ENERGY Dry Cool фирмы OXFORD INSTRUMENTS (Великобритания).

Рентгеноструктурный анализ проводился с помощью дифрактометра ДРОН-6 с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Cu Ка дублетном излучении с пошаговым сканированием. Обработка рентгеновских спектров проводилась с помощью программного обеспечения PDWin 4.0 (разработчик НПО «Буревестник»),

Сравнительные триботехнические испытания образцов проводились согласно ГОСТ 23.224 - 83 на машине трения СМТ-1.

Определение гидроплотности восстановленных соединений и настройки клапанов проводилось на стенде для приемо-сдаточных испытаний модели КИ-4815М.

Гидрораспределители, прошедшие стендовый контроль, устанавливались на трактора для дальнейших эксплуатационных испытаний.

Обработка экспериментальных данных проводилась на ПК с помощью пакета прикладных программ Excel 2002.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты исследований зависимости физико-механических свойств и параметров материала покрытий от режима нанесения, а также технологического воздействия на рабочие поверхности деталей.

Получены зависимости восстановленной толщины и прироста массы детали (катода) от режима нанесения. Результаты свидетельствуют об относительной однородности покрытия (равенстве средней плотности).

При анализе результатов металлографических исследований наблюдается значительная неоднородность получаемых покрытий, которые состоят из нескольких слоев. В некоторых случаях (рис. 2) удалось выявить отдельные закристаллизовавшиеся «капли», которые образовались вследствие высокой скорости охлаждения (до 104 град/с) расплавленного материала анода после осаждения его на подложку (указаны на рисунке стрелками). Заметно, что пористость верхнего слоя больше, чем нижнего. Толщина наносимых слоев изменяется вдоль поверхности из-за неравномерности потока расплавленного материала при осаждении на подложку. При увеличении скорости подачи толщина покрытия уменьшается (таблица 1) вследствие увеличения расстояния между соседними проходами электрода.

Наличие пор в покрытии обусловлено окислением расплавленного материала (обработка происходит в воздушной среде) и играет особую роль в формировании механических параметров поверхностей, получаемых методом ЭИО. При последующей механической обработке на поверхности образуются углубления («канавки»), в

Рисунок 2 - Фотография поперечного шлифа образца, полученного при нанесении Св08

которых задерживается смазка, в результате чего улучшаются эксплуатационные характеристики поверхностного слоя.

Таблица 1 - Средняя толщина наплавленного слоя

Скорость подачи электрода, мм/об Толщина, мкм

электрод 65 Г электрод Св08

0,08 187,4 210,5

0,114 145,2 135,4

0,193 105,3 93,3

0,26 92,0 79,4

Травление шлифов показало, что покрытия имеют мелкодисперсную структуру (рис. 3). В приграничном слое подложки наблюдается «светлая полоса», возникновение которой может быть обусловлено многими причинами. В числе возможных - наклеп поверхностного слоя детали и, как результат, увеличение концентрации дефектов; создание поверхности детали в процессе ее изготовления; воздействие на поверхность сталей концентрированных источников тепла (приграничная область обогащается углеродом, в результате чего образуется структура, твердость которой выше

Исследование микроструктуры проводилось также с применением растровой электронной микроскопии. На рис. 4 приведены снимки сечения образца, обработанного при скорости подачи 0,08 мм/об. На рис. 4а показана исследуемая область в тысячекратном увеличении, при котором видна общая структура покрытия по глубине. Наблюдаются различия микроструктур наплавленных слоев и подложки (46 - верхний наплавленный слой, 4в - средний наплавленный слой, 4г - граница между средним и нижним, 4д -нижний слой, 4е - подложка). В среднем слое видны трещины, наличие которых обусловлено термическими напряжениями, возникающими в процессе наплавки (температура в области разряда может достигать 104 К). Все выделенные зоны имеют пористую структуру с различным размером пор.

Рентгеноспектрапьный анализ показал, что в порах содержание кислорода больше, чем в соседних зонах (рис. 5). Это обусловлено химическим взаимодействием расплавленного материала электрода с воздушной средой при осаждении на подложку (катод). Результатом этого явилось, возможно, образование включений оксида железа (РегОз).

Элементный состав покрытия по глубине меняется незначительно. Концентрация основных химических элементов, входящих в состав исследуемых материалов (Ре, О, С, Мп), флуктуирует относительно среднего значения (что подтверждает неоднородность покрытий). Изменение концентраций железа и кислорода на границах наплавляемых слоев обусловлено окислением осажденного расплава. Таким образом, различие микроструктур, определенное ранее (см. рис. 4), обусловлено структурными изменениями, сопровождающими ЭИО.

по сравнению с соседними областями).

Рисунок 3 - Фотография протравленного шлифа образца, полученного при нанесении стали 65Г

Покрытие Св08, скорость подачи электрода 0,114 мм/об

Элемент Массовая доля элемента, %

положение 1 положение 2

О 6,1В 0,22

0,65 0,22

Мп 2,15 0,27

Ие 8,95 98,95

Покрытие 65Г, скорость подачи электрода 0,08 мм/об

Рисунок 5 - Определение элементного состава пор (концентрация некоторых элементов не указана вследствие малости значения) Величина микротвердости покрытий (НУ) определялась методом Виккерса. Вид зависимостей НУ от глубины модифицированного слоя характерен для всех режимов обработки (рис. 6). За начало отсчета выбрана граница покрытие-подложка. Этот выбор объясняется тем, что она достаточно ровная и легко определяется при последующем травлении.

Судя по общему характеру зависимостей, поведение НУ в покрытии обусловливается его послойным нанесением, когда каждый последующий слой наносится на предыдущий. В результате происходит частичный отжиг (исчезновение дефектов в структуре) последнего. Термическое воздействие явилось и причиной уменьшения

Элемент

Рисунок 4 - Изменение микроструктуры покрытия по глубине (наносимый материал - Св08)

величины микротвердости в приграничном слое.

1100 HV, M Па 1000 900 SOO 700 600 500 400

50 100 150 200 250 300 350 400

глубина модифицированного слоя, мкм

Рисунок 6 - Изменение величины микротвердости по сечению модифицированного слоя, полученного при нанесении стали Св08 со скоростью подачи электрода 0,26 мм/об (в отрицательной области лежат значения, соответствующие покрытию, в положительной - подложки)

На рис. 7 приведено распределение HV вдоль отдельного ряда отпечатков, откуда виден существенный разброс значений, что также подтверждает существенную неоднородность полученных покрытий. Более высокие значения HV соответствуют областям вблизи границ между слоями, меньшие-зонам, близким к порам.

Определены зависимости HV от скорости подачи электрода (рис. 8). Измерения проведены на расстоянии от границы покрытие-подложка. Нелинейный характер изменения HV обусловлен возникновением термонапряжений при нанесении покрытия, приводящих к формированию дефектной структуры. Причины изменения механических характеристик материала выявлялись с применением методов рентгеноструктурного анализа, которые позволяют определить поверхностные макронапряжения и средний размер структурных составляющих (зерен, кристаллитов).

Для определения фазового состава были сняты рентгенограммы покрытий в интервале двойного угла от 30° до 110°. Флуктуация линии фона обусловлена как шероховатостью поверхности, так и значительной разупорядоченностью ее кристаллической структуры. Фазовый состав исследуемых покрытий соответствует фазе чистого a-Fe с включениями оксидов железа - БегОз и Fej04, что подтверждается сравнением результатов наших экспериментов с данными таблиц ASTM. Данный факт доказал сделанное ранее предположение о составе пор.

900 HV, МПа

850 800 750 700 650 600 '

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300

глубина покрытия, мкм

Рисунок 7 - Распределение микротвердости по толщине модифицированного слоя, образованного наплавкой стали 65Г

900 850 800 750 700 650 600 550 500

ж- 34 мкм 900

850

750 700 650 600 550 500

19 мкм 35 мкм

0,20 0,25 0,30 скорость подачу мм/об

-I- '

0,20 0,25 0,30 скорость подачи, мм/об

Рисунок 8 - Зависимость НУ от скорости подачи электрода, измеренной на расстоянии от границы покрытие-подложка (расстояние указано на графиках) Степенью разупорядочения структуры поверхности определяются не только высота и форма линии фона, но и полуширина рентгеновских рефлексов. Эксперимент показал, что полуширина рефлексов с повышением скорости подачи увеличивается, что свидетельствует о большем разупорядочении структуры покрытий.

плотность дислокаций, *1015м'2

0,05

0,20 0,25 0.30

скорость подачи, мм/об

По результатам рентгеновских исследований были рассчитаны средняя плотность дислокаций и средний размер зерен материала покрытий. Установлено, что с увеличением скорости подачи электрода эти величины изменяются (рис. 9, 10). Данный эффект связан с уменьшением времени обработки единицы площади поверхности образца (время теплового воздействия

Рисунок 9 - Зависимость средней плотности дислокаций в поверхностном слое покрытия от скорости подачи электрода

на формирующееся покрытие уменьшается). Так как в зоне контакта электрода с поверхностью обрабатываемой детали температура разряда достигает высоких значений и размер расплавленных частиц мал по сравнению с размерами подложки, то происходит быстрый отвод тепла от поверхности. Следовательно, имеет место локальное закаливание перенесенного вещества. Процесс нанесения покрытия приводит к разогреву всего образца. В дальнейшем он постепенно охлаждается до комнатной температуры, и, следовательно, происходит частичный отжиг материала покрытия. Суммарное действие этих процессов определяет уменьшение среднего размера зерна наплавляемого материала (см. рис. 10).

Положительные значения остаточных напряжений в поверхностном слое покрытий, образованных при различных скоростях подачи электрода, свидетельствуют об их растягивающем характере (рис. 11).

В зависимостях макронапряжений от скорости подачи электрода определен минимум значений для стали 65Г во втором режиме, для Св08 - в третьем. Нелинейность зависимостей свидетельствует о сложности процессов образования структуры в поверхностном слое. Можно предположить, что в формировании структуры участвуют два независимых процесса: первый - возникновение термонапряжений при нане-

сенин покрытия, второй - проникновение дефектов и примесей из подложки в покрытие.

и»,, Полученные зависимости ......... ~ ............... ' ~ ~ ........ " коррелируют с изменением величины микротвердости, измеренной на расстоянии от границы покрытие-подложка (как видно из сравнения графиков для а и НУ, относящимся к 65Г (рис. 8, 11)). Для Св08 получены аналогичные зависимости тех же величин.

Установлено, что полученные покрытия имеют значительную шероховатость и созда-

0,20 0,25 0,30

скорость подачч мм/об

Рисунок 10 - Зависимость среднего размера зерен материала покрытия от скорости подачи электрода

0,20 0,25 0,30 скорость подачи, мм/об

0,05

0,15

0,20 0,25 0,30 скорость подачи, мм/об

Рисунок 11 - Зависимость величины остаточных напряжений в поверхностном слое покрытий от скорости подачи электрода ют на восстановленной поверхности растягивающие остаточные (макро-) напряжения, которые во многом определяют работоспособность и эксплуатационные характеристики детали. Указанные параметры имеют значения, которые, согласно литературным данным, отрицательно влияют на дальнейшее формирование поверхности.

В качестве метода, улучшающего микрогеометрические характеристики поверхности и ее напряженное состояние, используется поверхностная пластическая деформация. Применение ППД к исследуемым покрытиям позволило изменить величину и знак остаточных напряжений - снять растягивающие остаточные напряжения (рис. 12). Данное явление произошло вследствие деформационного упрочнения, обусловленного структурными изменениями (в частности, увеличением плотности дислокаций).

Установлено, что остаточные напряжения поверхности образцов при разных скоростях подачи электрода до и после ППД меняются одинаково (см. рис. 11, 12). Изменение нагрузки укатки не влияет на общий характер зависимости. Максимальное значение макронапряжений для покрытий из стали 65Г соответствует режиму со скоростью подачи электрода 0,114 мм/об, для Св08 - режиму со скоростью подачи электрода 0,193 мм/об.

Длительные стационарные триботехнические испытания осуществлялись при оптимальных нагрузках для каждой исследуемой пары трения. Сравнительную оценку степени износа осуществляли по суммарной интенсивности изнашивания (рис. 13).

Выявленные зависимости имеют нелинейный характер и коррелируют с изменением величины НУ.

Из сравнения суммарной интенсивности изнашивания следует, что наибольшему износу подверглись пары трения, полученные обработкой электродом из стали 65 Г в первом режиме (скорость подачи 0,08 мм/об) и Св08 в третьем режиме (скорость подачи 0,193 мм/об).

осоросгь подачи, мм/об

СвШ

0,15

скорость подачу им/об

0,20 0,25 0,30

номер рвпм

Рисунок 12 - Зависимость величины остаточных напряжений в поверхностном слое покрытий после ППД от скорости подачи электрода (при различных нагрузках)

Следует отметить, что для образцов, полученных обработкой электродами из стали 65Г при скоростях подачи 0,193 и 0,26 мм/об и Св08 при скоростях подачи 0,08 и 0,193 мм/об, интенсивность изнашивания покрытия превышает интенсивность изнашивания колодки. Анализ полученных данных показал, что для пары трения «покрытие 65Г - колодка» зависимости интенсивности изнашивания и величины макронапряжений от скорости подачи электрода имеют одинаковый характер. Суммарный износ пары, восстановленной в режиме нанесения со скоростью подачи электрода 0,114 мм/об, в 1,8...5 раз меньше, чем в остальных режимах. Значение остаточных напряжений (растягивающих) для данного режима минимально.

Для пары трения «покрытие Св08 - колодка» минимальное значение интенсивности изнашивания соответствует максимальному значению величины остаточных напряжений (в отличие от покрытия из стали 65Г). Наименьший износ (в 1,4...3 раза меньше, чем при других режимах) определен для образцов, полученных при режиме со скоростью подачи электрода 0,08 мм/об.

Исходя из полученных результатов можно сделать заключение о том, что для получения покрытия из стали 65Г оптимальным является режим нанесения при скорости подачи 0,114 мм/об, для Св08 - при 0,08 мм/об, вследствие того, что при данных режимах нанесения образуются оптимальная микроструктура и напряженное состояние поверхности, определяющие наименьшую степень износа.

Рисунок 13 - Суммарная интенсивность изнашивания

Пятая глава «Разработка технологических рекомендаций по ремонту гидрораспределителей с восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей деталей и оценка их экономической эффективности» посвящена совершенствованию технологии ремонта гидрораспределителей восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей золотников методом, учитывающим физико-механические свойства, параметры структуры и напряженное состояние покрытий, а также оценке экономической эффективности предложенной технологии.

Стендовые испытания гидроплотности золотниковых пар с восстановленными золотниками методом электроискровой обработки показали, что утечки жидкости при зазоре 8 мкм (нижнее значение) отсутствуют, а при зазоре 16 мкм (верхнее значение) не превышают 1,2 см3/мин, что соответствует допустимому значению по техническим условиям на новые гидрораспределители ТК 70.0001.018 - 85.

Разработанные технологические рекомендации восстановления золотников гидрораспределителей, обеспечивающие увеличение межремонтного ресурса, внедрены в малом инновационном предприятии ООО «Ресурс» (г. Саранск), ОАО «Гра-чёвский завод Гидроагрегат» (г. Грачёвск, Ставропольский край) и ОАО «Дальверзин-ский ремонтно-механический завод» (Республика Узбекистан).

Эксплуатационные испытания гидрораспределителей с восстановленными золотниками методом электроискровой обработки показали, что за период работы с 2006 г. по настоящее время отказов агрегатов не зафиксировано. Эксплуатационные испытания восстановленных гидрораспределителей продолжаются.

Экономическая эффективность на программу ремонта 500 гидрораспределителей Р-80 в год от внедрения технологии в производство составляет 865373,78 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлено, что эксплуатационные характеристики восстановленных деталей определяются физико-механическими свойствами и напряженным состоянием поверхностей.

2. Экспериментально подтверждено постоянство средней плотности материала покрытий, сформированных методом ЭИО в газовой среде электродами из стали 65Г и Св08, при изменении режима нанесения.

3. Значения микротвердости покрытий варьируются в интервале 650-900 МПа вследствие термического взаимодействия между наплавляемыми слоями и их окисления в процессе осаждения на поверхность детали.

4. Результатом термоэлектродинамического воздействия электроискрового импульсного разряда является формирование мезонанокристаллического состояния вещества (средний размер зерен материала образующихся покрытий 20...35 нм).

5. Экспериментально установлено, что при пластической деформации исследуемых покрытий остаточные напряжения растяжения (43...59 МПа) преобразуются в остаточные напряжения сжатия (-34...-80 МПа) на всю глубину покрытия.

6. Выявлено, что взаимосвязь остаточных напряжений с триботехническими характеристиками носит различный характер: для пары трения «покрытие 65Г - колодка» минимум интенсивности изнашивания соответствует минимальному значению макронапряжений; для пары трения «покрытие Св08 - колодка» наблюдается обратное соотношение.

7. По результатам исследования определены оптимальные режимы ЭИО золотника гидрораспределителя по параметру S: для электрода 65Г скорость подачи S=0,114 мм/об; для электрода Св08 S=0,08 мм/об. При данных режимах нанесения образуются оптимальная микроструктура и напряженное состояние поверхности, оп-

ределяющие наименьшую степень износа.

8. Триботехнические испытания пар трения выявили увеличение износостойкости восстановленных в оптимальных режимах поверхностей в 1,4...5 раз по сравнению с другими исследуемыми режимами.

9. Стендовые испытания гидроплотности золотниковых пар с восстановленными золотниками показали соответствие допустимому значению по техническим условиям на новые гидрораспределители ТК 70.0001.018 - 85.

10. Разработаны рекомендации по совершенствованию технологического процесса восстановления золотников гидрораспределителя Р-80, позволяющие получить покрытия с улучшенными физико-механическими свойствами: электрод - 65Г, энергетический режим установки - 5, подача станка S= 0,11 мм/об, число проходов ш=1, пЗШ1= 11,2 об/мин, п,л=3500 об/мин; электрод - Св08, энергетический режим установки - 5, подача станка S= 0,08 мм/об, число проходов т=1, пюл= 11,2 об/мин, пэл=3500 об/мин.

11. Экономический эффект от внедрения технологии ремонта гидрораспределителей Р-80 в производство на программу ремонта 500 штук в год составляет 865373,78 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Бурумкулов, Ф. X. Электроискровые нанокомпозитные покрытия и их износостойкость / Ф. X. Бурумкулов, С. А. Величко, В. И. Иванов, П. А. Ионов, М. А. Окин,

A. В. Столяров //Техника в сел. хоз-ве. - 2009. -№ 1. - С. 11 - 13.

2. Бурумкулов, Ф. X. Влияние физико-механических свойств и остаточных напряжений электроискровых покрытий на износостойкость соединений / Ф. X. Бурумкулов, М. А. Окин,

B. И. Иванов // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2009. - № 2. - С. 17 - 23.

Статьи в других изданиях, включая труды всероссийских и международных НТК

3. Окин, М. А. Исследование влияния электроискровой обработки на структуру, фазовый состав и микротвердость стальных покрытий / М. А. Окин, H. Е. Фомин, В. В. Батин // Физические свойства металлов и сплавов : сб. докл. Ш Рос. науч.-техн. конф- Екатеринбург : ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2005. - С. 170 - 172.

4. Окин, М. А. Применение метода электроискровой обработки для восстановления золотника насоса гидрораспределителя / М. А. Окин, В. В. Батин, Т. А. Лискина // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики : физические свойства и применение : сб. тр. Всерос. молодеж. науч. шк. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 92.

5. Окин, M. А. Исследование покрытия стали 20Х, нанесенного методом электроискровой обработки / М. А. Окин, H. Е. Фомин, В. В. Батин // Физические свойства металлов и сплавов : сб. докл. IV Рос. науч.-техн. конф. - Екатеринбург : ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2007.-С. 78-79.

6. Окин, М. А. Рентгенострукгурный и металлографический анализ электроискровых нанокомпозитных покрытий на стали / М. А. Окин, Ф. X. Бурумкулов, H. Е. Фомин,

B. В. Батин, С. А. Величко//Тр. ГОСНИТИ.-2008,-№ 101. - С. 188 - 196.

7. Окин, М. А. Определение оптимального энергетического режима нанесения стали 65Г методом электроискровой обработки / М. А. Окин, H. Е. Фомин, В. В. Батин // Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы : сб. докл. открытой шк.-конф. стран СНГ - Уфа : ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2008. - С. 321.

8. Бурумкулов, Ф. X. Формирование наноструктурных электроискровых покрытий на стали 20Х / Ф. X. Бурумкулов, П. В. Сенин, H. Е. Фомин, В. И. Иванов, В. А. Денисов,

C. А. Величко, П. А. Ионов, М. А. Окин // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем : материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - С. 9 - 21.

Подписано в печать 05.11.09. Объем 1,0 п. л. Тираж 150 экз. Заказ № 1531. Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24